陳龍　凌利　鐘學(xué)洋

摘要 隨著社會的高速發(fā)展，普通垃圾桶在設(shè)計(jì)上已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代人的需求，有必要對傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行升級，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)生活需求。使用51單片機(jī)、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、無線WiFi算法等設(shè)計(jì)一種多功能新型智能垃圾桶，在提升垃圾桶利用率的同時(shí)，因其在城市中道路的普及率，加入WiFi等功能，實(shí)現(xiàn)城區(qū)WiFi全覆蓋、垃圾溢滿及時(shí)清理等一系列功能。通過對多功能新型智能垃圾桶的分析，發(fā)現(xiàn)其能有效提升城市垃圾清理效率與該區(qū)域WiFi覆蓋率。

關(guān)鍵詞 智能垃圾桶；WiFi；太陽能；智能設(shè)備；51單片機(jī)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181155

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）009017104

英文標(biāo)題The Design of New Intelligent Multifunctional Trash Bin Based on WiFi

——副標(biāo)題

英文作者CHEN Long， LIN Li， ZHONG Xueyang，YANG Huayang

英文作者單位（Informatics Division of City College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430083， China）

英文摘要Abstract：Conventional trash bins are now hard to satisfy peoples′ demands in the modern society and they need to be refined. Based on 51 single chip， infrared sensor system and optimized WiFi algorithms， a new kind of intelligent trash bin is designed to improve the utilization. Embedded with new features of WiFi， trash cleaning，etc， the new trash bin can be deployed in most city roads， and most WiFicovered downtown area. Analysis of the new trash bin is provided to prove the advantage in improving cleaning efficiency.

英文關(guān)鍵詞Key Words：intelligent trash bin； WiFi； solar power； smart devices； micro control systems 51 series

0引言

社會高速發(fā)展的時(shí)代，在物質(zhì)生活逐步提高，人們在日常生活中無法避免與垃圾桶接觸。由于我國露天污染嚴(yán)重，需要處理垃圾的處理力度大[1]，以及所需人力大等，多功能多用途垃圾桶從結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)，目前我國城市生活垃圾成分復(fù)雜，含易腐外觀、惡臭氣味、難分類回收等問題，垃圾桶的設(shè)計(jì)除了需要解決上述問題外，還需智能WiFi，智能翻蓋，對有機(jī)物、煤灰、泥沙、塑料、橡膠、玻璃、紙類語音提示等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，多功能多用途垃圾桶不僅能滿足收集垃圾的功能，而且設(shè)計(jì)美觀，色彩能與周圍環(huán)境相和諧，成為環(huán)境的重要組成部分。

在研究了數(shù)種關(guān)于智能垃圾桶的相關(guān)文獻(xiàn)以及成品后[2]，現(xiàn)階段的智能垃圾桶在技術(shù)上仍有較大的提升空間，在外觀設(shè)計(jì)上也可以加以改進(jìn)，智能垃圾桶不應(yīng)該以顯示屏及觸摸操作等為分界，更應(yīng)該考慮垃圾桶的實(shí)用性。為此提出改進(jìn)的多功能多用途垃圾桶，不僅注重用戶的交互體驗(yàn)，也注重提升城市垃圾清理的高效性，從根據(jù)垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行合理安排清理路線，到智能化的垃圾分類提醒，以及除臭、溫度警報(bào)、自動開合桶蓋等，再到提供WiFi連接，附近垃圾桶定位等功能，提升垃圾桶的實(shí)用性，遠(yuǎn)離連WiFi難，尋找垃圾桶難等問題，使智能垃圾桶的功能具有一定實(shí)用性。

在當(dāng)今物質(zhì)生活水平逐步提高、社會高速發(fā)展的時(shí)代，人們在日常生活中不可避免地要與一些看似不起眼但又不可或缺的特殊物品打交道，如公共場所垃圾桶。但是，目前我國城市生活垃圾的成分復(fù)雜，存在易腐外觀、惡臭氣味、難分類回收等問題，處理垃圾需要花費(fèi)很大的人力、物力和財(cái)力。為解決上述問題，從垃圾桶的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，設(shè)計(jì)一款多功能、多用途垃圾桶，同時(shí)圍繞智能WiFi、智能翻蓋，對有機(jī)物、煤灰、泥沙、塑料、橡膠、玻璃、紙類等分類語音提示進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求不僅能滿足垃圾收集功能，而且設(shè)計(jì)美觀，色彩與周圍環(huán)境相和諧，成為美化環(huán)境的一部分。

從現(xiàn)有關(guān)于智能垃圾桶的研究以及成品看，智能垃圾桶在技術(shù)和外觀上仍有較大的提升空間。為此，本文提出設(shè)計(jì)一款多功能多用途垃圾桶，不僅注重用戶的交互體驗(yàn)，而且注重提升城市垃圾清理效率。從根據(jù)垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行合理安排清理路線，到智能化的垃圾分類提醒，以及除臭、溫度警報(bào)、自動開合桶蓋等多個(gè)方面增強(qiáng)垃圾桶的功能，再到提供WiFi連接、附近垃圾桶定位等功能，進(jìn)一步提升垃圾桶實(shí)用性。

1智能垃圾桶WiFi功能用途分析

智能垃圾桶具有信息感知、智能決策、自動控制與精準(zhǔn)管理等功能，生活垃圾清理路線設(shè)定更加合理化，垃圾清理服務(wù)更有針對性，垃圾處理方式更加科學(xué)化，是今后現(xiàn)代城市建設(shè)的重要特征與基本方向[2]。

隨著移動終端與技術(shù)的快速變革，移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用類型、覆蓋范圍與方式、用戶群體等不斷發(fā)生改變，互聯(lián)網(wǎng)社會化的廣度與深度不斷拓展。在此環(huán)境下，無線通信及移動計(jì)算機(jī)在社會信息化建設(shè)中的應(yīng)用逐步普及。在WiFi、藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)覆蓋范圍內(nèi)，用戶只需通過智能手機(jī)等輕巧便捷的移動終端，便可以連接智能垃圾桶自帶的WiFi。

智能垃圾桶以網(wǎng)絡(luò)布局的方式在城市繁華中心進(jìn)行布置，通過自帶無線WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)城市中心區(qū)域WiFi全覆蓋，通過配套APP傳達(dá)相關(guān)信息。無線WiFi覆蓋設(shè)備需要考慮如下問題：①保證信號強(qiáng)度好，WiFi使用通暢；②對信息安全進(jìn)行嚴(yán)格管控，防止WiFi被不法分子利用。

2設(shè)計(jì)方案

2.1功能設(shè)計(jì)

2.1.1智能垃圾桶充電

智能垃圾桶配有太陽能電池板充電系統(tǒng)，晴天可充電，晚上或陰天可通過自備的儲電系統(tǒng)自給供電，避免了人工發(fā)電的大量能源耗費(fèi)[3]。太陽能供電系統(tǒng)需具有以下功能：

（1）儲電功能。由于智能垃圾桶工作時(shí)不使用外接電源，靠太陽能供電，所以需要一個(gè)大容量儲電設(shè)備，以便垃圾桶在長時(shí)間未充電狀態(tài)下依然能夠正常使用。

（2）供電功能。由太陽能充電板進(jìn)行充電儲電，在使用過程中不需要外接電源，并可在長期陰雨天中持續(xù)使用，提高智能垃圾桶的節(jié)能性與高效性。根據(jù)垃圾的屬性不同，設(shè)置不同分類的垃圾桶，供垃圾分類投放使用。

隨著全球氣候變暖，能源消耗日益加重，為了滿足人們最基本的生活條件以及解決企業(yè)生產(chǎn)的能源消耗問題，尋找節(jié)能、高效型新能源已成為目前的首要任務(wù)。利用好太陽能充電續(xù)航技術(shù)，是智能垃圾桶項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)節(jié)能化的必要條件。太陽能充電續(xù)航技術(shù)運(yùn)用在智能垃圾桶中，配合相關(guān)的調(diào)控裝置進(jìn)行合理充電、放電，解決了智能垃圾桶用電技術(shù)難題。

2.1.2智能垃圾桶故障維修

項(xiàng)目初期，首先要建立專門的項(xiàng)目執(zhí)行小組，分別為：智能垃圾桶數(shù)據(jù)搜集組、智能垃圾桶維修組、智能垃圾桶垃圾清理組。智能垃圾桶數(shù)據(jù)搜集組負(fù)責(zé)傳感器系統(tǒng)通過移動互聯(lián)網(wǎng)渠道反饋信息的接收工作[4]，對垃圾桶反饋到基站的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對垃圾桶的擺放位置、清理時(shí)間作合理調(diào)整。其同時(shí)負(fù)責(zé)垃圾桶安全警報(bào)接收任務(wù)。

智能垃圾桶出現(xiàn)故障或危險(xiǎn)時(shí)，會自動觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)通知數(shù)據(jù)搜集組。由數(shù)據(jù)搜集組鎖定故障垃圾桶位置，將信息傳達(dá)給維修組處理。維修組負(fù)責(zé)智能垃圾桶硬件系統(tǒng)的維修與管理，包括危險(xiǎn)排除工作。維修組應(yīng)配備專業(yè)的LED顯示屏、觸摸顯示屏、太陽能供電系統(tǒng)、智能垃圾桶拆卸技術(shù)等。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)搜集組將具體指令發(fā)放給維修組，進(jìn)行智能垃圾桶的維護(hù)工作。

智能垃圾桶清理組負(fù)責(zé)垃圾桶內(nèi)部垃圾的日常清理工作。按照數(shù)據(jù)搜集組制定的清理路線，清理組在指定路線上完成清理工作，確保準(zhǔn)確性。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WiFi智能垃圾桶設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1左側(cè)為垃圾桶整體設(shè)計(jì)，桶身為矩形，包含頂部大面積的太陽能充電電池板，側(cè)面為LCD廣告顯示位，正面為公告顯示及涂鴉畫板，提供3種類型的垃圾投放口，正面智能識別鏡頭為用戶智能判斷垃圾類型，使用戶正確投入對應(yīng)回收口。圖1右側(cè)為垃圾桶側(cè)邊解剖圖，垃圾桶投入口具有自動開合功能，防止氣味熏出，并帶有溫感報(bào)警裝置[5]，桶內(nèi)包含垃圾壓縮裝置，實(shí)現(xiàn)垃圾桶桶內(nèi)空間利用最大化。

3技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.151單片機(jī)工作原理

程序分為三大塊：等待延時(shí)、定時(shí)中斷、熱釋紅外傳感器中斷。當(dāng)靠近熱釋紅外傳感器的探測范圍時(shí)，傳感器熱釋電元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過hn911內(nèi)部電路處理將此信號轉(zhuǎn)換成電平變換。當(dāng)檢測到人體時(shí)向單片機(jī)提供一個(gè)低電平（下降沿），將此信號作為一個(gè)外部中斷信號，震動傳感器將垃圾桶的震動（被物體撞擊）或者重量變化轉(zhuǎn)變成電平信號，通過I/O口單片機(jī)可查詢到此信號；PT2262/2272 是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片，其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器與發(fā)射單元集成于一身，當(dāng)有垃圾投入或垃圾桶裝滿轉(zhuǎn)變成電平信號，通過I/O口單片機(jī)可查詢到此信號。單片機(jī)在進(jìn)行初始化與設(shè)定時(shí)間后，等待中斷信號，當(dāng)外部中斷端有信號時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入處理中斷，通過查詢I/O信號，判斷是否打開垃圾桶蓋；當(dāng)垃圾桶未滿即PT2262/2272端無信號時(shí)打開垃圾桶蓋（單片機(jī)控制電磁鐵通電，蓋打開），通過震動傳感器與PT2262/2272信號綜合判斷此人是否投放垃圾，此時(shí)單片機(jī)控制語音芯片發(fā)出一些話語，提示大家愛護(hù)環(huán)境。

由于51單片機(jī)有休眠喚醒功能，在PA口加下降沿時(shí)單片機(jī)喚醒，并且喚醒后執(zhí)行下一指令，當(dāng)長時(shí)間無人投放垃圾時(shí)，單片機(jī)自動將除HN911以外的電路電源關(guān)閉，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少能源浪費(fèi)。當(dāng)有人時(shí)，通過HN911電路部分將單片機(jī)喚醒，關(guān)閉電源的電路重新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)。51單片機(jī)垃圾桶工作原理如圖2所示。

3.2垃圾桶紅外感應(yīng)原理

垃圾桶紅外感應(yīng)原理如圖3所示。

3.3WiFi定位算法

WiFi定位系統(tǒng)由3部分組成：WiFi讀寫器、rfid定位標(biāo)簽、定位服務(wù)器。

定位服務(wù)器算法，定位計(jì)算n個(gè)AP、 AP1、AP2、…APn，m個(gè)采樣點(diǎn)AP1、AP2、…、APm ，步驟如下：

步驟1：排序。對收到AP（APi，i=1，…n）的RSSI數(shù)值R（APi）進(jìn)行排序。

步驟2：判斷是否可以綁定AP。在R（APi）中尋找最強(qiáng)RSSI值，以及對應(yīng)的APMAC，判斷RSSI值是否大于AP設(shè)定的綁定條件。若符合AP綁定的條件，則認(rèn)為定位在AP的位置點(diǎn)上，定位狀態(tài)為：確定，標(biāo)簽定位結(jié)果，退出本次定位。若不符合綁定AP的條件，轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3：判斷RSSI個(gè)數(shù)是否符合繼續(xù)定位條件。判斷R（APi）個(gè)數(shù)是否達(dá)到所設(shè)定最少個(gè)數(shù)。若未達(dá)到設(shè)定最少個(gè)數(shù)，定位狀態(tài)為：干擾，退出本次定位；正常則繼續(xù)下一步定位。

步驟4：判斷RSSI值是否過小。循環(huán)當(dāng)前R（APi）中，統(tǒng)計(jì)RSSI值小于特定值（可設(shè)置，一般為-80）的個(gè)數(shù)，決定是否定位或退出定位。

步驟5：判斷遮擋與轉(zhuǎn)身情況。手完全遮擋時(shí)，RSSI值會降低；轉(zhuǎn)身時(shí)，最強(qiáng)AP的RSSI值會降低。

步驟6：獲得各采樣的RF值 。

首先，載入采樣值，根據(jù)當(dāng)前RSSI值中包含的所有APMAC，尋找采樣數(shù)據(jù)中當(dāng)前APMAC的所有采樣點(diǎn)，作為等待比較的采樣點(diǎn)。當(dāng)采樣點(diǎn)過多時(shí)，比較所有采樣點(diǎn)損耗的資源。那些采樣數(shù)據(jù)中不包含當(dāng)前掃描到AP的采樣點(diǎn)肯定不在定位范圍內(nèi)。

其次，循環(huán)所有載入的采樣點(diǎn)，獲得RF值。①依次循環(huán)所有采樣點(diǎn)，針對當(dāng)前循環(huán)到的采樣點(diǎn)，若Tag掃描的RSSI中不包含當(dāng)前采樣點(diǎn)最大RSSI值的AP，則當(dāng)前掃描的RSSI加入一個(gè)虛擬值：-200（可設(shè)置）；②針對每個(gè)采樣點(diǎn)以當(dāng)前RSSI的AP數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，比較采樣數(shù)據(jù)，若采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的AP不存在，以-80（可設(shè)置）填充采樣數(shù)據(jù)中的AP數(shù)據(jù)；③采樣點(diǎn)Pi（i=1，2….，m）、Pj（j=1，2…，n） ，其RSSI平均值R（Pi，APj）定位時(shí)，獲得一組RSSI值L（APj（j=1，2…，n）），對每個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算出RF距離：D（Pi）=SQRT{[L（AP1）-R（Pi，AP1）]×[L（AP1）-R（Pi，AP1）]+…+[L（APn）-R（Pi，APn）]×[L（APn）-R（Pi，APn）]}

③按以下公式，獲得所有采樣點(diǎn)的RF值：

采樣點(diǎn)Pi，i=1，….，m，APj， j=1，…，n 采樣點(diǎn)Pi的APj的RSSI平均值，R（Pi，APj）定位時(shí)，獲得一組RSSI值，L（APj）， j=1，…，n 對于每個(gè)采樣點(diǎn)P1，…，Pm，計(jì)算出RF距離 D（Pi）=SQRT（（L（AP1）–R（Pi，AP1））x（L（AP1）–R（Pi，AP1））+…+（L（APn）–R（Pi，APn））x（L（APn）–R（Pi，APn）））

第三，根據(jù)RF值獲得定位點(diǎn)。①若最后的RF值只有1個(gè)，對應(yīng)的APMAC也只有1個(gè)，則直接定位在AP點(diǎn)，否則狀態(tài)為：干擾，退出本次定位；②若RF值個(gè)數(shù)為0，則沒有可用的RF值，狀態(tài)為：消失，退出本次定位；③根據(jù)最小RF值，獲得采樣點(diǎn)的ID。

第四，驗(yàn)證獲得采樣點(diǎn)ID的有效性。判斷當(dāng)前最強(qiáng)AP的RSSI在采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中對應(yīng)AP的RSSI差額（可設(shè)置），計(jì)算當(dāng)前RSSI值中，最強(qiáng)AP在采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中對應(yīng)AP的RSSI差額，若大于特定值（可設(shè)置），則狀態(tài)為：干擾，退出本次定位。

步驟7：獲得定位結(jié)果。正常狀態(tài)獲得采樣點(diǎn)的ID就是定位結(jié)果。

步驟8：根據(jù)采樣點(diǎn)ID獲得位置點(diǎn)。一個(gè)位置點(diǎn)包含多個(gè)采樣點(diǎn)，當(dāng)獲得采樣點(diǎn)以后，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，獲得位置點(diǎn)的ID。

步驟9記錄本次結(jié)果。保存本次RSSI值，定位結(jié)果，等待下一次計(jì)算使用。

定位算法流程如圖4所示。

4結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下，智能垃圾桶將徹底改變消費(fèi)者的環(huán)境理念。完善的制造業(yè)與電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，使從事環(huán)境保護(hù)的相關(guān)人員通過智能垃圾桶自動監(jiān)測系統(tǒng)可以足不出戶、實(shí)時(shí)監(jiān)控各區(qū)域垃圾的生產(chǎn)，分析智能垃圾桶的投放時(shí)段決定下一步垃圾車的出行路線。數(shù)據(jù)縫隙和信息化終端可作為環(huán)境保護(hù)者的智能體系，指導(dǎo)環(huán)境保護(hù)人員下一步的工作安排與走向，改變消費(fèi)者對其處理問題不及時(shí)、垃圾回收效率低的偏見，同時(shí)加強(qiáng)消費(fèi)者環(huán)境保護(hù)意識。

在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下，智能垃圾桶能夠幫助消費(fèi)者提升日常生活品質(zhì)，在智能化家居逐步走向普通消費(fèi)者生活的時(shí)代，消費(fèi)者希望擁有一個(gè)干凈、整潔的家庭環(huán)境，而智能垃圾桶可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。消費(fèi)者在家中可以通過輕松連接其它智能設(shè)備，或通過移動設(shè)備將信息共享到智能垃圾桶的系統(tǒng)上，從而提高生活品質(zhì)，營造溫馨的家居環(huán)境。環(huán)境保護(hù)人員可以通過產(chǎn)品收集并分析信息，從而達(dá)到清潔環(huán)境、提高整體生活品質(zhì)的目的。

在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下，智能垃圾桶能在現(xiàn)有技術(shù)下與新技術(shù)相互結(jié)合，降低人類活動對環(huán)境的污染、提高人們的生活品質(zhì)以及環(huán)境保護(hù)水平，并促進(jìn)智能化生活的發(fā)展，具有良好的示范作用。還可實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)環(huán)保產(chǎn)品制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的目的，加快環(huán)境保護(hù)改革的發(fā)展向智能化生活推進(jìn)，并充分發(fā)揮科技第一生產(chǎn)力的作用，進(jìn)一步促進(jìn)高科技創(chuàng)新發(fā)展。

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